面波法在公路工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究

王景山 王玲玲

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院,河南鄭州 450000；2.河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,河南鄭州 450052)

近年來(lái),全國(guó)高速公路發(fā)展迅速,各地不斷有新的高速公路開(kāi)工,勘察設(shè)計(jì)周期極短,尤其是勘察工作時(shí)間被大大壓縮。傳統(tǒng)方法對(duì)公路路基的勘察需耗費(fèi)大量人力、時(shí)間,往往跟不上勘察設(shè)計(jì)的整體進(jìn)度,導(dǎo)致項(xiàng)目延誤?？焖?、全面、準(zhǔn)確地獲取沿線工程地質(zhì)資料是當(dāng)前形勢(shì)所迫。

面波勘探技術(shù)是近年來(lái)新興的一門(mén)技術(shù),與傳統(tǒng)勘探方法相結(jié)合,具有準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),在高速公路路基勘察中取得了較好的應(yīng)用效果。在河南省焦作至桐柏高速公路鞏義至登封段(以下稱(chēng)鞏登高速公路)路基勘察中,采用面波勘察技術(shù),取得了較好的效果。

1 概況

鞏登高速公路北起河南省鞏義市,南至河南省登封市,路線全長(zhǎng)約43 km。該路北段為黃河、伊洛河沖洪積平原,中段為黃土丘陵地貌,南段為嵩山山前丘陵及傾斜平原地貌,地質(zhì)條件復(fù)雜,在河流沖洪積平原、黃土沖溝內(nèi)發(fā)育第四系全新統(tǒng)(Q4al)及其新近沉積土層,土質(zhì)以粉質(zhì)黏土、粉土為主,土質(zhì)軟弱,厚度一般在10 m以?xún)?nèi),大型勘探設(shè)備難以到位。為詳細(xì)查明該路段軟弱土層分布、地層結(jié)構(gòu)及天然地基承載力情況,為路基設(shè)計(jì)、地基加固處理設(shè)計(jì)提供依據(jù),勘察中采用了面波法。外業(yè)工作于2009年5月10日至2009年5月25日期間完成,2008年6月10日前完成了資料處理、解釋和報(bào)告編寫(xiě)工作。

2 面波勘察原理

面波存在于地表面附近,沿地表面?zhèn)鞑?其穿透深度約相當(dāng)于它的波長(zhǎng)。頻率越高的波穿透深度越小,可以利用高頻波探測(cè)淺部地層；用低頻波探測(cè)深部地層。在震源激發(fā)的能量中,約有2/3的能量轉(zhuǎn)換為面波,且衰減速度比縱波和橫波慢。面波的振幅隨著距離增大,因此在遠(yuǎn)離震源處,面波還有較大的振幅。瑞雷面波在分層介質(zhì)中具有頻散特性,利用這種性質(zhì),可以根據(jù)頻散曲線劃分層位,求出各層速度。另外,面波的波速與介質(zhì)的密度緊密相關(guān),波速隨介質(zhì)密度增大而增加,可以利用波速與密度的相關(guān)性計(jì)算密度。采用面波勘察,主要利用其以下三個(gè)基本特征：

圖1 面波速度與深度關(guān)系曲線示意

①在分層介質(zhì)中,面波具有頻散特性。

波的傳播速度與頻率有關(guān)的現(xiàn)象稱(chēng)為“頻散”。在半無(wú)限均勻彈性介質(zhì)中,面波速度約為橫波速度的0.9倍,無(wú)頻散現(xiàn)象；而在分層的層狀半空間中,當(dāng)波長(zhǎng)很短時(shí),波速約為上層介質(zhì)橫波速度的0.9倍,當(dāng)波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí),面波的速度約為最下層介質(zhì)中橫波速度的0.9倍,當(dāng)面波的半波長(zhǎng)接近介質(zhì)的分界面距自由界面的深度時(shí),頻散曲線的變化較為顯著,如圖1所示。該特性是面波勘探的理論基礎(chǔ)。

②面波的波長(zhǎng)不同,穿透深度也不同。

面波是一種表面波,其振幅隨離開(kāi)自由表面的距離呈指數(shù)形式衰減,其能量一般都集中在介質(zhì)表層約一個(gè)波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)。所以,一般認(rèn)為,面波的穿透深度約為一個(gè)波長(zhǎng)的深度。該特性為利用面波進(jìn)行淺層勘探提供了依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中,取面波的穿透深度約為0.55～0.875倍的波長(zhǎng)深度,具體隨地區(qū)和巖性的不同而變化。對(duì)一般巖石,可取0.65λR；對(duì)于土體,可取 (0.79 ～0.84)λR。由 λR=VR/f可知,面波不同的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于介質(zhì)在不同頻率下的面波速度,通過(guò)探測(cè)不同頻率下介質(zhì)的面波速度,即可得到VR-λR關(guān)系曲線,也即頻散曲線。再根據(jù)面波在不同巖性介質(zhì)中穿透深度與波長(zhǎng)的關(guān)系,就可獲得VR-h關(guān)系曲線,也即速度—深度曲線,該曲線直接反映了地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況或介質(zhì)的“軟”“硬”分布情況。

③面波傳播速度與橫波傳播速度具有相關(guān)性。

實(shí)測(cè)的VR值直接反映了測(cè)試深度以上各層的加權(quán)平均波速。而面波速度VR與橫波速度VS之間又具有以下確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系

其中 σ為巖土介質(zhì)的泊松比,一般在0.25～0.50之間,介質(zhì)越疏松,σ值越大。根據(jù)以上關(guān)系式可求得

利用該相關(guān)性即可得到地層的橫波速度。而橫波速度與介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)密切相關(guān),橫波速度的大小直接反映了地層介質(zhì)的“軟”、“硬”程度,如

其中E為介質(zhì)的彈性模量,ρ為介質(zhì)的密度。

所以,根據(jù)以上相關(guān)關(guān)系,采用經(jīng)驗(yàn)公式,并以已知的鉆孔和靜力觸探資料作為約束進(jìn)行標(biāo)定,即可直接由面波速度近似求取地層的容許承載力等參數(shù)。

在實(shí)際運(yùn)用中,面波及橫波速度隨地下介質(zhì)的不同而變化的幅度遠(yuǎn)大于二者之間換算系數(shù)引起的波動(dòng)變化量,所以,一般直接取0.93倍左右的橫波速度值作為面波速度值進(jìn)行反推換算。

3 野外數(shù)據(jù)采集

通過(guò)試驗(yàn),本次勘探采用24道直線排列,1 m道間距,8 m偏移距,沿排列線兩端激發(fā),2次疊加,連續(xù)探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)(第一個(gè)排列與第二個(gè)排列重復(fù)1道)。觀測(cè)排列布置如圖2所示。接收采用每道單個(gè)速度檢波器插置,激發(fā)采用63.5 kg標(biāo)準(zhǔn)慣入試驗(yàn)錘落錘激發(fā),記錄儀采用GEOPEN2404EP-48淺層地震儀,采樣間隔0.2 ms,記錄長(zhǎng)度400 ms,全波接收(如圖3所示)。

圖2 野外觀測(cè)排列布置示意

圖3 實(shí)測(cè)記錄

4 資料處理

面波資料處理采用由河南省路通物探科技開(kāi)發(fā)有限公司與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)的“瑞雷面波資料處理與解釋軟件”系統(tǒng)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的面波處理方法相比具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

①以人機(jī)交互方式,對(duì)面波在 τ-p域與時(shí)空域聯(lián)合提取,使得波場(chǎng)分離效果更佳。

②采用相鄰道法計(jì)算頻散曲線,提取的信息量更大,橫向分辨率得到明顯提高。

③以取對(duì)數(shù)積分方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的富士變換方法,使得頻率或深度間隔可任意給定,提高了對(duì)深層的縱向分辨率。

通過(guò)以上改進(jìn),該處理系統(tǒng)在去除干擾和提高縱、橫向分辨率方面較傳統(tǒng)的處理方法有了質(zhì)的飛躍,將其用于天然地基勘察、高填路堤壓實(shí)效果檢測(cè)、復(fù)合地基處理效果評(píng)價(jià)等方面的資料處理,均取得了較好的效果(如圖4所示)。

圖4 頻散曲線顯示

根據(jù)實(shí)測(cè)頻散曲線按以下計(jì)算公式進(jìn)行地層劃分

式中 ：VR為面波速度/(m/s)；VRN、VR(N-1)為面波平均速度/(m/s)；HRN、HR(N-1)為層底深度/m 。

由計(jì)算出的面波層速度數(shù)據(jù),即可繪制沿線20 m深度范圍內(nèi)的面波速度剖面(如圖5所示)。

圖5 瑞雷波速度剖面(單位：m/s)

作為路基勘察的最終成果,往往直接用于描述地層巖土物理力學(xué)參數(shù)(如地層承載力等)。面波速度或橫波速度的大小雖然也直接反映了地層的軟硬程度,但為了便于工程運(yùn)用,有必要將面波速度或橫波速度轉(zhuǎn)換為地層的承載力。從理論上講,由于影響地層承載力的因素較多,這種轉(zhuǎn)換關(guān)系是相當(dāng)復(fù)雜的。經(jīng)過(guò)多個(gè)勘察項(xiàng)目的實(shí)踐,總結(jié)出了如下經(jīng)驗(yàn)公式

式中：fk為天然地基容許承載力；VR為實(shí)測(cè)面波的速度；h為地層的埋藏深度；a為常系數(shù)；b和c為指數(shù)參數(shù)。

根據(jù)沿線鉆孔資料和靜力觸探資料,按以上關(guān)系式進(jìn)行標(biāo)定,也即解多元聯(lián)立方程,可求得適用于該工區(qū)的關(guān)系參數(shù) a、b和c。

根據(jù)式(6),即可由面波速度直接近似求取沿線20 m深度范圍內(nèi)的各地層容許承載力,并繪制出承載力分布剖面圖(如圖6所示),供設(shè)計(jì)人員參考。

圖6 地層承載力剖面(單位：k Pa)

5 資料對(duì)比解釋

將通過(guò)瞬態(tài)面波法勘探獲得的地層承載力剖面與通過(guò)鉆孔取芯試驗(yàn)或靜力觸探試驗(yàn)提取的地層承載力資料進(jìn)行對(duì)比(如圖7),二者基本吻合,地層的“軟”、“硬”趨勢(shì)符合得較好。

圖7 面波資料與靜力觸探資料對(duì)比

從圖7可以看出,由面波速度根據(jù)近似經(jīng)驗(yàn)公式求取的地層承載力剖面,能較好地反映地層承載力在橫向上的變化趨勢(shì),但因其加權(quán)平均效應(yīng)使得在縱向上的分辨率較傳統(tǒng)方法低,這是該方法本身所固有的缺陷,從理論上很難完全克服。所以,就目前對(duì)面波法研究的現(xiàn)狀來(lái)看,縱向分層精度的提高是亟待解決的技術(shù)難題。根據(jù)面波法求取的地層承載力剖面,全面反映了該路段地基承載力的橫向分布情況,發(fā)現(xiàn)了不少低承載力異常段,如圖6的樁號(hào)K22+030～K22+090段,現(xiàn)場(chǎng)地表略微洼陷,而面波法勘探結(jié)果顯示地下1～5 m有明顯的低承載力異常。有關(guān)資料表明該處在20世紀(jì)70年代為一條灌溉溝,溝寬約15 m,深約5 m,后填平。測(cè)線與該溝呈約20°夾角斜交穿過(guò),低承載力異常得到證實(shí)。這些低承載力異常段有時(shí)范圍很小,僅采用傳統(tǒng)的鉆井取芯或靜力觸探等方法進(jìn)行勘察很容易被漏掉。如果這些低值異常恰好位于高填土路段或橋涵等構(gòu)筑物部位,而在勘察和設(shè)計(jì)階段又被遺漏掉,就很容易造成日后的工程隱患。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次面波法勘探在資料處理時(shí)采用 τ-p域與時(shí)空域聯(lián)合提取面波的方法,使波場(chǎng)分離效果相對(duì)于傳統(tǒng)的f-k域?yàn)V波有了明顯改善,提高了勘探成果的可靠性；采用相鄰道法計(jì)算頻散曲線提高了橫向分辨率?？碧匠晒?jīng)與鉆孔資料及靜力觸探資料對(duì)比基本吻合,能夠較真實(shí)地反映沿線地基承載力的連續(xù)變化情況,對(duì)局部的地質(zhì)異常體也做出了明確的判斷,使工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)人員對(duì)沿線地基承載力的分布情況有了一個(gè)完整的把握,對(duì)高速公路的設(shè)計(jì)與施工具有很好的指導(dǎo)作用。

面波法用于路基勘察具有高效、低耗、全面、完整等優(yōu)點(diǎn),是傳統(tǒng)的工程勘察方法所無(wú)法具備的。在路基初勘階段,可考慮先進(jìn)行面波勘查,在此基礎(chǔ)上再有針對(duì)性地布置部分鉆井取芯孔或靜力觸探試驗(yàn)點(diǎn),以完成驗(yàn)證性勘查,這樣可大大縮短勘察周期,降低勘察成本。

面波法目前仍存在一些難以解決的技術(shù)問(wèn)題,如層速度的計(jì)算問(wèn)題、縱向加權(quán)平均效應(yīng)問(wèn)題等。為使該方法更加完善,更好地用于工程地質(zhì)勘察,進(jìn)一步的深入研究工作是必不可少的。但就目前已獲得的較高橫向分辨率來(lái)講,將該方法用于高速公路路基勘察,并結(jié)合少量的鉆孔或靜力觸探試驗(yàn)工作來(lái)劃分軟基路段已基本成熟。相信該方法在高速公路路基勘察領(lǐng)域必將取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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